乙型肝炎病毒全基因組序列變異性的空間遺傳結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、乙型肝炎病毒(Hepatitis B Virus，HBV)感染是一個世界性的公共衛(wèi)生問題。世界范圍內(nèi)HBV的感染者大約有20億，其中慢性感染者約3.5億～4億，每年約有50萬～120萬人死于HBV感染所導(dǎo)致的慢性肝炎、肝硬化或肝細(xì)胞癌。HBV屬嗜肝DNA病毒科，由于HBV復(fù)制過程中HBV DNA聚合酶缺乏校正功能，易導(dǎo)致HBV發(fā)生突變。目前，依據(jù)HBV全基因組序列核苷酸異質(zhì)性≥8％或其S基因序列核苷酸異質(zhì)性≥4%的標(biāo)準(zhǔn)，可將HBV分為A

2、-H8個基因型；進而又可依據(jù)同一基因型核苷酸序列差異≥4%而＜8%的標(biāo)準(zhǔn)，再將HBV基因型分為不同的基因亞型；且HBV基因型及其基因亞型的分布具有明顯的地域性和人種的特異性。因此有必要進一步研究不同地理區(qū)域和人群中HBV變異性的空間遺傳結(jié)構(gòu)特征。研究HBV序列變異性的空間遺傳結(jié)構(gòu)不僅對闡明HBV序列變異的空間異質(zhì)性特征，探索HBV的空間變異軌跡及其與人群遷移的關(guān)系，劃分HBV序列變異性的空間遺傳結(jié)構(gòu)地理界限等具有重要的理論意義；而且對制

3、定區(qū)域化的乙型肝炎防治對策(HBV多表位疫苗的研制、HBV傳染源分子流行病學(xué)追蹤、區(qū)域化、HBV個性化治療方案制定等方面)提供科學(xué)依據(jù)。
　　 目前，在研究HBV序列變異性的地理遺傳結(jié)構(gòu)時，多數(shù)研究是基于傳統(tǒng)聚類方法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)生樹，從系統(tǒng)發(fā)生樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中識別HBV序列變異性的遺傳結(jié)構(gòu)，進而分析某些同源性較高的HBV序列是否對應(yīng)特定的地理區(qū)域。然而，以上研究所采用的方法均是傳統(tǒng)的聚類分析方法，未考慮HBV分離地(人群)的空間坐標(biāo)

4、，因而難以深入揭示HBV序列變異性的空間遺傳結(jié)構(gòu)特征。為此，本研究在GIS框架內(nèi)，采用二維圖論最小生成樹模型與“Monmonier's algorithm”計算幾何學(xué)模型相結(jié)合的方法，從空間遺傳結(jié)構(gòu)連通性分析和空間遺傳結(jié)構(gòu)界限識別兩個不同側(cè)面研究全球范圍內(nèi)HBV序列變異性的空間遺傳結(jié)構(gòu)特征。
　　 主要結(jié)果：
　　 (一)HBV基因型及其亞型地理分布特征 HBV全基因組序列進化樹呈現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)化特征，分為8個分枝，分別對

5、應(yīng)特定的基因型及其基因亞型，而多數(shù)基因型及其亞型均具有特定的優(yōu)勢地理分布區(qū)域。結(jié)果表明，全球范圍內(nèi)HBV序列變異性的遺傳結(jié)構(gòu)不僅具有相對獨立的基因型和基因亞型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且受宿主免疫壓力等因素的影響在某些基因型和基因亞型分枝上還存在某些重組體。
　　 (二)HBV序列變異性的空間遺傳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征
　　 1．HBV序列全部基因型及其亞型變異性的二維最小生成樹顯示其空間遺傳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征：①整個最小生成樹由4個分枝組成，分別為

6、美洲大陸分枝、非洲大陸分枝、歐洲大陸分枝和亞洲-大洋洲分枝；②各分枝呈現(xiàn)出明顯的地理結(jié)構(gòu)特征，且分枝間有明顯的地理、社會隔離特征。其中，海洋是HBV序列變異性地理隔離的主要天然屏障，例如，2、8、9、10和15號點(新西蘭、澳大利亞及南太平洋島國)的HBV序列在地理距離上雖然和美洲大陸接近，但由于海洋天然屏障的隔離并未出現(xiàn)連通分枝。又如，非洲的3、6、11、19和24號點(南非、馬達(dá)加斯加、馬拉維、烏干達(dá)和索馬里)在地理距離上雖然與東南

7、亞、大洋洲等接近，但也因海洋天然屏障的隔離并未出現(xiàn)連通分枝。而沒有海洋天然地理屏障的大陸區(qū)域卻一般是相互連通的。例如，非洲大陸之內(nèi)各樣本點相互連通，且整個非洲大陸通過中東地區(qū)與亞歐分枝連通。又如，大洋洲各樣本點也相互連通，并且與亞洲、歐洲形成連通分枝。再如，南北美洲形成了一個連通分枝。因此，本研究揭示了HBV生物地理學(xué)本質(zhì)特征規(guī)律，研究結(jié)果將對深入理解HBV進化特征、地理隔離特征、HBV與宿主間的空間關(guān)系等理論問題具有重要意義。同時也對

8、HBV區(qū)域化防治措施的制定(HBV多表位疫苗的研制、區(qū)域化HBV個性化治療方案的制定和區(qū)域化特征分子流行病學(xué)標(biāo)記的尋找等)具有實際應(yīng)用價值。
　　 2．多數(shù)HBV基因型及其亞型也同樣呈現(xiàn)出明顯的空間遺傳結(jié)構(gòu)特征：①A基因型的二維最小生成樹由3個分枝組成，分別為非洲大陸分枝、歐洲大陸分枝和亞洲-北美洲大陸分枝；各分枝顯示出明顯的地理結(jié)構(gòu)特征，且分枝間有明顯的地理、社會隔離特征。其中，非洲和歐洲分別成為兩個比較獨立的分枝；亞、美之間

9、盡管有太平洋隔離，但仍存在許多連通分枝，表明亞洲與美洲之間HBV序列高度相似，可能與近代人群頻繁遷移、混合有關(guān)，也可能與該基因型具有比較廣泛的宿主適應(yīng)性有關(guān)。②B基因型的二維最小生成樹顯示，盡管有少量的分枝與歐美相連，但最小生成樹主體仍在亞洲，并且各個分枝間存在隔離現(xiàn)象。③C基因型的二維最小生成樹由2個分枝組成，分別為亞洲大陸分枝和大洋洲大陸分枝。各分枝顯示出明顯的地理結(jié)構(gòu)特征，且分枝間有明顯的地理、社會隔離特征。其中，亞洲與大洋洲分別

10、成為兩個比較獨立的分枝。④D基因型的二維最小生成樹由2個分枝組成：亞-非-歐-美分枝和大洋洲分枝。其中，澳洲、美洲和歐洲的宿主均為白種人，而亞洲為黃種人，表明，D基因型對宿主的適應(yīng)性較廣泛。⑤E基因型的二維最小生成樹形成1個獨立的分枝，局限于非洲。⑥F基因型的二維最小生成樹主體位于中南美洲，但其與亞洲(日本)和歐洲(法國)存在個別連通分枝。該研究結(jié)果與傳統(tǒng)的HBV基因地理分布研究結(jié)論基本一致，且進一步闡明了多數(shù)基因型及其亞型具有特異的區(qū)

11、域化易感宿主；對特定人群的HBV多表位疫苗研制和區(qū)域化個性化個體治療方案的制定具有重要的理論指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。
　　 (三)HBV序列變異性的空間軌跡
　　 1．HBV序列全部基因型及其亞型變異性的空間軌跡多數(shù)是沿海岸線定向移動。非洲大陸的HBV序列沿非洲西海岸線向南移至南非，再沿東海岸線向北延伸到中東地區(qū)，然后在中東地區(qū)分為兩枝：一枝沿亞歐大陸延伸到歐洲各國；另一枝經(jīng)南亞和東南亞，向北逐漸延伸到中國北部直至俄羅斯

12、(該枝的延伸軌跡中還可看到東西兩條路線，西線延伸至中國西部，沿藏緬走廊繼續(xù)向北延伸，再沿絲綢之路向西北延伸至西伯利亞；而東線則由東南亞沿東海岸線向北延伸到中國北部，同時向南延伸至太平洋島國后繼續(xù)向南延伸至大洋洲)。而亞洲分枝沿太平洋東海岸線向北延伸至俄羅斯的堪察加半島，經(jīng)白令海峽延伸至北美洲，再向南延伸至南美洲。上述HBV序列變異性的空間軌跡與人類走出非洲的基因流動軌跡基本吻合，表明HBV序列變異性隨著宿主(人類)的遷移向世界各地傳播蔓

13、延，形成了與人群移動相吻合的流動軌跡。該研究結(jié)論對進一步研究HBV序列進化史具有重要的指導(dǎo)意義。
　　 2．研究結(jié)果還表明，盡管多數(shù)基因型及其亞型有其優(yōu)勢地理分布區(qū)域，但不同空間位置上的同一基因型間仍存在著特定的空間軌跡：①全球A基因型HBV序列變異性的最小生成樹呈連通態(tài)勢，且有明顯的序列變異空間軌跡，這些軌跡多數(shù)沿海岸線定向移動。非洲大陸的A基因型HBV序列有兩個分枝(一枝沿非洲西海岸線至岡比亞、再向東至索馬里，然后再沿東海岸

14、線延伸到中東地區(qū)；另一枝沿東海岸線延伸至中東地區(qū))，且在中東地區(qū)融合、進入南亞和東南亞。歐洲大陸的A基因型HBV序列沿地中海的海岸線延伸至亞洲大陸；而亞洲大陸與美洲大陸間A基因型序列存在很多連通通道，表明兩者的關(guān)系密切。②B基因型分布較局限，軌跡不明顯，主要局限在亞洲，表明其具有特殊的宿主易感人群(亞洲人群)。③C基因型分布也較局限，軌跡不明顯，主要局限在亞洲，表明其具有特殊的宿主易感人群，但亞洲人群和大洋洲的土著居民更易感染C基因型。

15、④D基因型呈現(xiàn)出緯向連通軌跡，可能與人群遷移交流有關(guān)。⑤E基因型以非洲東南部的島國-馬達(dá)加斯加為中心向西、向西北方向延伸，向西跨越莫桑比克海峽延伸到非洲西南部(安哥拉、納米比亞和贊比亞)、非洲西部(塞內(nèi)加爾、科特迪瓦、加納、貝寧、尼日利亞和喀麥隆)。表明了E基因型以馬達(dá)加斯加為中心向外定向擴張流行的軌跡。⑥F基因型沿中南美洲大陸呈南北走向。這些研究結(jié)果為進一步研究HBV同一基因型的進化史和空間傳播軌跡，尋找其分子流行病學(xué)追蹤標(biāo)記具有重要

16、意義。
　　 (四)HBV序列變異性的地理界限
　　 1．本研究表明，HBV序列在全球范圍內(nèi)存在許多具有統(tǒng)計學(xué)意義的地理界限。這些地理界限將全球分割成幾個相對獨立的遺傳同質(zhì)性地理區(qū)域：①全球HBV變異性以太平洋為界分為新世界(南北美洲)區(qū)域和舊世界(亞、非、歐)區(qū)域；②新世界區(qū)域中的HBV序列具有高度同質(zhì)性；③舊世界區(qū)域中的HBV序列空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間異質(zhì)性程度高，整個區(qū)域又被許多亞界限分割成不同區(qū)域。其中，非洲成為一個

17、比較獨立的同質(zhì)區(qū)域，而歐、亞、大洋洲成為另一個相對獨立的同質(zhì)區(qū)域。西伯利亞和北美洲靠近北極圈的部分地區(qū)成為一個相對獨立的區(qū)域。該研究結(jié)果與人類群體遺傳結(jié)構(gòu)的地理界限基本吻合。表明，HBV序列的變異與其宿主的遺傳結(jié)構(gòu)一致，具有特定遺傳同質(zhì)性的人群(宿主)往往更易感染某一特定的基因型及其亞型，而特定的HBV基因亞型更適于在特定的人群中流行和生存。
　　 2．按照基因型分別對HBV序列進行地理界限分析，結(jié)果表明，即使同一基因型也存在許

18、多具有統(tǒng)計學(xué)意義的地理界限(圖22-圖27)，可將其劃分為同質(zhì)性更高的特定地理區(qū)域：①地理界限將A基因型及其亞型分割成相對同質(zhì)的幾大區(qū)域：以圖22中界限Ⅰ為界分為南北兩大區(qū)域，北部區(qū)域包括中亞、東亞、西伯利亞和北美洲，主要分布著A2基因亞型；以界限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所圍成的南部同質(zhì)區(qū)域包括東南亞、中東、非洲東部和南部，主要分布著A1基因亞型；以界限Ⅲ、Ⅴ所圍成的非洲西北部同質(zhì)區(qū)域，主要分布著A3基因亞型；以界限Ⅳ、Ⅱ、Ⅴ所圍成的歐洲西部同質(zhì)區(qū)域

19、，主要分布著A2基因亞型。北部區(qū)域和歐洲西部同質(zhì)區(qū)域?qū)嶋H在地理距離上十分接近。②B基因型被近似平行的呈西南-東北走向的地理界限依次分割成幾個相對同質(zhì)的區(qū)域：以圖23中界限Ⅰ所圍成的北美洲同質(zhì)區(qū)域，主要分布著B6基因亞型；以界限Ⅰ、Ⅱ所圍成的同質(zhì)區(qū)域主要包括日本，主要分布著B1基因亞型；以界限Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所圍成的同質(zhì)區(qū)域主要包括中國，主要分布著B2基因亞型；以界限Ⅲ、Ⅴ所圍成的同質(zhì)區(qū)域包括東南亞，主要分布著B3、B5基因亞型；以界限Ⅳ、Ⅴ、

20、Ⅵ、Ⅶ所圍成的同質(zhì)區(qū)域包括越南，主要分布著B4基因亞型；以界限Ⅵ、Ⅶ所圍成的同質(zhì)區(qū)域包括泰國和瑞士，主要分布著B2基因亞型。③C基因型的分布雖然局限于亞洲和大洋洲，但仍被一條呈東南-西北走向的地理界限分割成南北兩大區(qū)域：北部同質(zhì)區(qū)域包括日本、韓國、中國北部和烏茲別克斯坦，主要分布著C2基因亞型；該區(qū)域的HBV序列空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間異質(zhì)性程度高，整個區(qū)域又被許多亞界限分割成不同區(qū)域。其中，夏威夷成為一個比較獨立的同質(zhì)區(qū)域，而日本沖繩成為另

21、一個相對獨立的同質(zhì)區(qū)域；南部同質(zhì)區(qū)域包括東南亞、中國南部、澳洲和南太平洋島國，主要分布著C1、C3、C4、和C5基因亞型，該區(qū)域的HBV序列空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間異質(zhì)性程度高，整個區(qū)域又被許多亞界限分割成不同區(qū)域。其中，東南亞成為一個比較獨立的同質(zhì)區(qū)域，主要分布著C1基因亞型；菲律賓成為一個比較獨立的同質(zhì)區(qū)域，主要分布著C5基因亞型；澳洲成為一個比較獨立的同質(zhì)區(qū)域，主要分布著C4基因亞型；南太平洋島國成為一個比較獨立的同質(zhì)區(qū)域，主要分布著C

22、3基因亞型。④D基因型分布廣泛，被圖25中界限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分割成相對獨立的幾個同質(zhì)區(qū)域：包括美洲、非洲、南亞-東南亞(印度)、澳洲和歐洲-中亞-東亞-西伯利亞同質(zhì)區(qū)域。歐洲-中亞-東亞-西伯利亞同質(zhì)區(qū)域中的HBV序列空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間異質(zhì)性程度高，整個區(qū)域又被許多亞界限分割成不同區(qū)域。⑤E基因型雖然僅局限于非洲，但是被圖26中界限Ⅰ分割為南北兩個相對獨立的同質(zhì)區(qū)域：北部同質(zhì)區(qū)域HBV序列空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個區(qū)域又被許多亞界限分割成不同區(qū)

23、域。盡管目前E基因型并未定義基因亞型，但仍顯示出相對獨立的同質(zhì)地理亞群。⑥F基因型主要分布于中南美洲，但仍被圖27中界限Ⅰ分割成南北兩個相對獨立的同質(zhì)區(qū)域：北部區(qū)域包括中美洲和美國，主要分布著F1基因亞型；南部區(qū)域包括中南美洲，主要分布著F2基因亞型。以上研究結(jié)果表明，盡管多數(shù)同一基因型地理分布較為局限，但在其局限的區(qū)域內(nèi)仍存在地理界限；這些地理界限將同一基因型劃分成同質(zhì)性更高的地理區(qū)域，多數(shù)可找到對應(yīng)的基因亞型，表明HBV在基因亞型水

24、平上也具有特定的易感人群。該結(jié)果對于進一步分析不同地理亞型的HBV序列差異性，尋找特定的流行病學(xué)分子標(biāo)記，用于區(qū)域化分子流行病學(xué)監(jiān)測、區(qū)域化HBV多表位疫苗的研制和區(qū)域化HBV個性化治療方案的制定等均具有理論指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。
　　 主要結(jié)論：
　　 (一)全球范圍內(nèi)HBV序列變異性的遺傳結(jié)構(gòu)不僅具有相對獨立的基因型和基因亞型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且受宿主免疫壓力等因素的影響在某些基因型和基因亞型分枝上存在某些重組體。

25、>　　 (二)HBV序列全部基因型及其各基因型的變異性呈現(xiàn)出特定的空間遺傳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，其二維圖論最小生成樹的各分枝均具有明顯的地理結(jié)構(gòu)特征和地理、社會隔離特征。其中，海洋是HBV序列變異性地理隔離的主要天然屏障。
　　 (三)HBV序列全部基因型及其各基因型的變異性具有明顯的空間軌跡，其軌跡多沿海岸線定向移動，與人類走出非洲的基因流動軌跡基本吻合。表明，HBV序列變異性隨著宿主(人類)的遷移而向世界各地傳播蔓延，形成了與人群

26、移動相一致的流動軌跡。對進一步研究同一基因型的進化史和空間傳播軌跡，尋找其分子流行病學(xué)追蹤標(biāo)記具有重要意義。
　　 (四)全球HBV序列全部基因型及其各基因型的變異性能被具有統(tǒng)計學(xué)意義的地理界限分割成若干同質(zhì)性的地理區(qū)域，這些界限和區(qū)域與人類群體遺傳的地理界限基本吻合。表明，HBV序列的變異與其宿主的遺傳結(jié)構(gòu)一致，具有特定遺傳同質(zhì)性的人群(宿主)往往更易感染某一特定的基因型及其亞型，而特定的HBV基因亞型更適于在特定的人群中流行

27、和生存。
　　 (五)HBV序列變異性的空間遺傳結(jié)構(gòu)特征對深入理解HBV進化特征、地理隔離特征、HBV與宿主間的空間關(guān)系等理論問題具有重要意義。同時也對HBV區(qū)域化防治措施的制定具有實際應(yīng)用價值，包括HBV多表位疫苗的研制、區(qū)域化HBV個性化治療方案的制定和區(qū)域化特征分子流行病學(xué)標(biāo)記的尋找等諸多方面。
　　 主要創(chuàng)新點：
　　 (一)證明了HBV序列全部基因型及其各基因型的變異性均呈現(xiàn)特定的空間遺傳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征。

28、其二維圖論最小生成樹的各分枝均具有明顯的地理結(jié)構(gòu)特征和地理、社會隔離現(xiàn)象。其中海洋是HBV序列變異性地理隔離的主要天然屏障。
　　 (二)繪制出了HBV序列全部基因型及其各基因型的變異性的空間軌跡。其軌跡多沿海岸線定向移動，與人類走出非洲的基因流動軌跡基本吻合。為進一步研究同一基因型的進化史和空間傳播軌跡，尋找其分子流行病學(xué)追蹤標(biāo)記具有重要意義。
　　 (三)劃定了全球HBV序列全部基因型及其各基因型的變異性的地理界限和